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[博士论文] 宋超
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:当前,中国的城镇化建设处于高速发展的阶段,与此同时,城市火灾风险居高不下。我国城市的消防规划相对滞后于城镇化的快速发展,特别对于城市的未来发展以及对火灾风险的发展考虑得不够全面,同时,考虑时空动态分布的火灾风险影响下的消防资源布局方面的研究也较少。本文通过引入相关数学模型来综合考虑时空变化对城市火灾发生的影响,充分考虑火灾发生的时空变化特征,并在此基础上发展一种与城市发展相适应的、动态的消防站选址规划模型,可为提高城市消防规划的科学性提供理论支撑。主要工作如下:
  1.城市尺度火灾发生的空间分布研究
  通过使用机器学习算法和空间计量经济学模型对市域尺度的城市火灾的发生进行空间建模,从而预测或者解释火灾发生的空间分布。
  首先,我们使用机器学习算法进行分析。针对特征选择得到的重采样结果显示,在训练集中,四种机器学习算法中随机森林模型(RF)的预测精度最高。样本点距离消防站的距离、人口的分布、企业工厂的分布、道路密度、温度的分布以及海拔是选入RF中的自变量,说明这些变量对火灾风险的贡献度最大。同时随机森林算法在训练集和测试集上均预测效果较好,差别不大,说明其较为稳健。
  之后,通过对空间计量经济学模型进行分析,结果显示空间通用模型(SAC)的赤池信息准则(AIC)值最小,也即拟合效果最好。结果显示道路密度对火灾密度有正相关的关系,而温度、海拔以及距离消防站的距离这三个变量均与火灾密度呈负相关的关系。结果说明人类的活动对于火灾发生有着相当重要的作用,同时也对空间回归模型的贡献度相对较大。同时,SAC模型在训练集上均表现良好,但在测试集上均与训练集的预测效果相差较大。这说明空间通用模型更适合对火灾风险进行解释。
  总之,在模型的适用性方面,我们发现RF能够表现出更稳健的预测能力,鲁棒性较强。而对于空间计量经济学模型,它们则能够从特定数据集(训练集)中隐藏的空间分布规律和聚类特征入手,采用空间权重矩阵准确地刻画市域尺度下城市火灾发生的空间规律与影响较大的自变量,更适合于解释火灾的发生,但总体上要强于随机森林算法。同时,通过对最终得到的SAC与RF模型在整个数据集上进行预测,结果显示,SAC在总体上要优于RF。进一步通过对模型的残差进行分析和可视化,结果显示SAC比RF更能解释火灾发生的空间结构。
  2.城市尺度火灾发生的时间分布研究
  通过使用小波变换的方法对火灾与气象因素的时间序列进行分析,进而揭示时间序列中存在的潜在规律与变化共性,之后使用经典的自回归移动平均模型与MCMC对火灾频次的时间序列进行拟合,最终得到时间维上的城市火灾风险发展趋势。
  首先,通过小波变换来分析火灾频次的时间序列,结果显示存在四个特征时间尺度,分别为4,18,34,56个月,火灾频次的周期性波动在56个月(4-5年)这样的时间尺度上周期性最强,适合于在较大的年际尺度上进行火灾周期性的研究分析。可以从定性的结果中推测在2010-2011年火灾频次将呈现下降趋势,之后将继续上升。
  其次,气象因素的时间序列通过小波分析,发现不同的变量存在不同的特征时间尺度集合。它们均包含18个月的特征时间尺度,这说明气象因素也和火灾频次的时间序列拥有共同的平均变化周期为12个月。
  最后,通过使用经典的时间序列模型对火灾频次进行建模,通过比较,最终选用ARIMA(0,1,1)模型来进行建模。另一方面,我们选用MCMC模型来进行时间序列建模,结果显示日照时长的系数值最大,表示其对火灾发生的影响最大。同时,日照时长与相对湿度的系数值为正,表示与火灾发生的频次正相关;平均温度与降水量的系数值为负,表示与火灾发生的频次负相关。另外,去除气象变量后的MCMC模型与包含气象变量的MCMC模型进行了对比,结果表明加入气象因素的MCMC模型的拟合度更好,更能勾勒时间序列中的波动。
  3.城市尺度火灾发生的时空分布研究
  通过使用以最小二乘法(OLS)为基础的全局线性回归模型(LM)进行分析,对比了全局模型与局部模型在火灾风险预测方面的效果,最终可以得到火灾风险分布的时空模型。
  首先,我们使用空间交叉验证(SCV)对自变量进行选择。使用SCV进行线性回归训练的结果显示,道路密度与工厂企业的空间分布是火灾风险建模中最重要的变量,与火灾的发生密切相关,但是前者对于火灾风险正相关,而后者为负相关。
  之后,我们使用选择的自变量进行了地理加权回归(GWR)与时空加权回归(GTWR)两种局部拟合模型对火灾风险进行解释与预测。结果显示,拟合效果GTWR>GWR>LM。通过提取模型中的自变量的系数并进行可视化,结果显示,对于相同的自变量,其系数值与显著度水平在不同时间截面的相同位置处发生了一定程度的变化。
  最后,通过对不同区域显著变量的数目进行分析,结果显示参数的空间异质性分布规律主要集中在城市的非中心区,往往是一些人类局部活动性较为集中的次中心地带或者集镇、县城等地区。通过对三个模型产生的残差进行半异方差检测,结果显示GTWR对于火灾发生的空间结构的解释程度最强。同时,在模型的独立测试阶段,GTWR也显示出比GWR、OLS更为准确的预测能力。
  4.基于火灾发生时空动态模型的城市消防站选址规划模型
  首先,在前文工作的基础上,我们可以预测未来一段时间的火灾风险空间分布,进而建立改进的城市消防站选址规划模型。通过使用遗传算法进行选址模型的模拟仿真,结果显示使用基于匹配度与多重部分覆盖模型的选址模型更能体现出实际消防规划中的“等级对应”思想,也即不同等级的风险应和同等级的预防措施相对应。风险越高,消防站的出动时间应越小,救援路径应越短。因此,当目标函数为匹配度时,我们所建立的新模型与其他经典选址模型(P-中值,最大覆盖)相比,目标值最大且更加合理。
  另外,我们使用基于容量限制的路径寻优算法来模拟当发生并发火灾时,消防车对于火点进行扑救的路径选择问题。结果显示,基于容量限制的最短路径寻优算法CCRP可以解决消防车在基于城市道路网进行扑救时的最短路径选择问题。同时,这也可以模拟将空间节点上的人群进行群体疏散时来选择最短路径的情形。
[硕士论文] 耿建华
项目管理 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:在当前经济快速发展的形势下,电网建设的进度也在快速提升。随着电网建设的范围逐步扩大,电力输送的能力逐步增强,刺激了居民用电的增加,用电设备也迅速增多,电力事故发生的概率也在增加,随着企业和电网规模的扩张,事故没有明显减少,给社会经济和人民生活带来了损失。因此,如何能够推进电网安全风险防范工作,巩固电网安全运作基础,保障居民用电安全成为一项重要工作。
  防范电网安全风险,夯实电网建设基础,保证电网安全健康运行,建立完善的电网安全评价体系以及相应的预警方法,能够促进电网运转的安全性和经济性。随着社会的不断进步和环境恶化,仅通过传统的安全管理方法和多种安全技术措施的叠加,很难解决项目复杂系统中的安全问题。
  本文根据电网运行的特点,建立电网改造项目安全性评价指标体系,从多个方面对电网改造项目进行综合性的评价分析,通过安全性评价体系的建设,促进电网改造项目建设的顺利实施。以M市电网改造项目为研究对象,对其安全性进行实证分析。首先,对M市电网改造项目安全现状进行研究,分析电网改造项目安全性方面存在的电网线路负荷问题、设备运行问题、电力规范化操作方面的问题等其他问题。其次,分析影响电网改造项目安全性的主要因素,即人、设备、管理和环境,对这四个方面的原因进行综合分析。最后,建立安全评价指标体系。从输电网安全性、电网调度及二次系统安全性、电网电气一次设备安全性、电网供电安全性、电网应急管理安全性等方面建立指标体系,结合调查评价法、层次分析法等理论方法,对电网改造项目整体安全性进行综合评价。根据评价结果梳理出M市电网改造项目在安全性方面存在的问题,确定预警对策,提出对应的安全整改策略。
[博士论文] 姜林
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:可燃物的热解与火蔓延过程是火灾中初始阶段和发展阶段的两个分过程。热解是火蔓延的基础,决定着材料后续火灾的发展,火焰的热反馈辐射到材料表面又加剧了热解,因此材料的热解与火蔓延特性研究一直是国内外火灾科学工作者重点研究的对象。聚合物材料作为建筑中常用的功能及装饰材料,广泛应用于外墙保温及室内装修领域,其在火灾中的诸多特殊的燃烧行为使得聚合物成为火灾科学领域研究最为深入的材料。当聚合物材料表面存在外加热流时,暴露于热流的材料开始发生热解并产生大量可燃气,可燃气在材料表面以析出气泡的形式从材料的内部传输到材料的表面,与材料表面的空气预混形成预混可燃气,遇到明火后便会在热解区上方形成火焰。同时,热解区的火焰会以热传导、热对流及热辐射三种传热方式对四周未燃区的材料实施热量传递,未燃区的材料受热后会继续分解产生可燃气,当未燃区的可燃气达到一定浓度时,则会被热解区的火焰点燃,如此往复循环使得材料的表面形成持续的火蔓延现象。与其他的木材、棉、麻等可燃物相比,聚合物材料属于化学合成,更容易被点燃,同时燃烧热解过程中会产生大量的有毒有害气体,此外热塑性材料在燃烧及火蔓延过程中还容易发生熔融滴落的现象。
  热解是燃烧的第一步,而反应动力学的研究又是研究热解的基础,通过热解反应动力学可以探索聚合物热解反应速率及反应机理。热解方面,本文选取了Extruded polystyrene(XPS)和Polyurethane(PU)分别作为聚合物一步反应和多步反应的代表,对两种材料的热解动力学进行了深入的研究。通过遗传算法对XPS及PU各步反应进行分离,并分别计算每一步反应的动力学参数,然后将计算结果与传统的动力学方法Kissinger-Akahira-Sounose(KAS)法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法及Friedman法进行比较。遗传算法对反应物、中间产物及最终产物的计算完全是以理论计算为基准的,为了验证其有效性,我们采用TG-MS和FTIR技术对热解过程中的产物进行监测,并与遗传算法的计算结果进行对比,从而验证了遗传算法在聚合物热解动力学中应用的准确性。
  在火蔓延方面,本文在热解研究的基础上对聚合物材料的水平及竖直火蔓延进行了实验及理论研究。首先,选取了Polymethylmethacrylate(PMMA)、XPS和Expandable polystyrene(EPS)三种典型的聚合物作为水平火蔓延的研究材料,并将材料的几何尺寸设定成不同的宽度和厚度。试验发现随着材料宽度的变化,聚合物的水平火蔓延速度在某一宽度范围内会出现最小值。基于这一特殊的实验现象,本文建立了火蔓延过程中的热输运模型,从传热的角度指出了最小火蔓延速度的产生机制。该模型指出水平火蔓延过程是受火焰的对流及辐射两种竞争机制所控制的,而且热解区的总热流随材料的火蔓延速度出现了相同的变化规律。
  最后,本文以不同尺寸的PMMA材料为研究对象,探究了材料宽度及厚度对竖直火蔓延的影响,并将研究结果与前人所研究的大尺度PMMA竖直火蔓延研究结果进行对比。由于聚合物材料的竖直火蔓延主要受控于浮力驱动的对流传热,因此本文以对流传热分析而基础,建立了基于Emmons假设的质量损失速率模型,并得到了较为理想的预测结果。该模型拥有较广的预测范围,可适用于浮力驱动的竖直火蔓延及水平外加风作用下强迫对流。该模型中的质量损失速率为材料尺寸及热物理参数的函数。最后,本文对水平和竖直火蔓延过程中的火焰高度进行无量纲分析,建立了适用于聚合物竖直火蔓延的火焰高度无量纲预测模型。
[博士论文] 王静舞
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:外界流场作用下射流火的动力学行为特征,一直是燃烧学及火灾学基础研究的重要对象。空气流动风场会对射流扩散火焰形态、燃烧特征等产生重要影响,其研究结果对于提高工业锅炉的燃烧效率、减少油田或化工厂废气燃烧污染物的排放、降低早期火灾探测的误报与漏报率等有重要意义。
  本文首先从唯象学角度,针对横向风条件下射流火,综合考虑浮力、剪切力、惯性力对湍流射流扩散火焰的耦合作用,建立横向和垂直方向的动量方程并求解得到火焰倾角公式,进一步利用火焰理查德森数对公式进行简化,建立了包含浮力-过渡-动量三种不同主控模式的全局火焰倾角模型。
  其次,自主研制了小尺寸风洞平台,以丙烷为燃料,针对横向风条件下3 mm(动量主控)与8 mm(浮力主控-过渡)两种不同喷嘴直径的射流扩散火焰形态与燃烧特性,开展了实验研究。燃料射流出口雷诺数(Re)310~3305,弗洛德数(Fr)0.351~756,风速范围0.5~4.0 m/s,射流-横向风动量通量比(RM)0.077~13.188,热释放速率范围0.698~2.790 kW。实验利用图像分析确定火焰长度、倾角等形态参量,基于比色测温法反演计算火焰温度及碳黑体积分数分布,利用可见火焰长度与化学当量比火焰长度的关系确定火焰烟点状态。
  研究结果表明,随着RM值逐渐增大,火焰依次呈现三种典型形态。当RM值较小时,火焰主要存在于喷嘴出口平面以下,且集中于喷嘴背风侧的负压区,称为下洗现象;随着RM值的增大,火焰呈现出三区域结构,第一个区域指下洗区域,第三个区域指对称分布的狭长、亮黄色火焰。这两个区域中间的连接区为第二个区域;RM值继续增大,下洗区域逐渐减小并消失,呈现两区域结构。
  火焰长度随着横向风速的增大或者RM值的减小,先稍微增大后减小。无量纲火焰长度与射流Fr的关系为LF=18.8Fr0.239。基于本文中的实验结果,给出了火焰长度转捩点的临界风速与RM值。对于给定喷嘴直径,临界RM值趋向于定值。
  根据火焰倾角实验结果及理论分析,基于RM与Fr,提出了三种不同的倾角主控模式,确定了全局火焰倾角理论公式的适用范围:横向风/浮力主控模式(RM<0.01,Fr<0.1),过渡模式(0.01<RM<10,0.1<Fr<103),和射流/动量主控模式(RM>10,103<Fr<105)。
  火焰温度和碳黑体积分数总体随着横向风速的增大或者RM值的减小逐渐降低。火焰辐射分数随横向风速的增大,8mm直径工况先稍微增大后降低;3mm直径工况则是逐渐减小。
  最后,给出了横向风条件下,火焰达到烟点状态的临界风速与RM值。随着燃料流量的增大(射流Fr增大),临界风速与RM值都有增大的趋势。临界RM值与射流Fr的关系为RM=0.170Fr0.345。烟点火焰长度与Fr的关系为LF,sp=13.8Fr0.279。烟点条件下,8 mm直径工况火焰为典型的三区域结构,而3mm工况火焰为典型的两区域结构。在实验范围内,当燃料流量大于某临界值后,无量纲火焰长度的烟点值与最大值之比趋于定值,且3 mm直径比值大于8mm直径。
  烟点火焰辐射分数随着燃料流量的增大(射流Fr增大),8mm直径逐渐上升,而3mm先升后降;并且8mm工况远大于3mm。两种喷嘴直径之所以出现不同的趋势,主要是因为不同RM值造成了不同的火焰流场和火焰碳黑运动轨迹。烟点火焰辐射分数与无量纲火焰长度之比与RM值的拟合结果为8 mm工况:xR,sp/LF,sp=0.047RM-5.56×10-4,3mm工况:xR,sp/LF,sp=-3.034RM+5.42×10-4。
[博士论文] 原向勇
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:近些年,随着经济的发展,越来越多的高层建筑已经被建立。与此同时,灾难性建筑火灾事故时有发生,尤其是高层建筑火灾,引起了越来越多的关注。研究表明,在建筑火灾中85%的受害者是由于吸入了有毒有害的烟气,例如一氧化碳。在建筑中,有许多竖向通道,像楼梯井、电梯井和通风管道。发生火灾后,当烟气进入了这些竖向通道,烟囱效应这种特殊的现象将会发生。一旦形成烟囱效应,烟气的传播速度非常快,竖向通道很快将会充满烟气,这将给人员疏散和救援带来很大困难,并且威胁着火楼层之上居民的安全。同时,在烟囱效应的作用下,大量的新鲜空气流进建筑内部,可以使小火迅速扩大,可能引燃周围的可燃物,扩大燃烧面积。建筑通常是在有风的环境中的,外界风作用在建筑外立面将会形成风压,外界风和烟囱效应的耦合作用将对建筑内火灾的发展和烟气的流动特性产生影响。
  本文利用1/3尺寸楼梯井实验台和1/6尺寸竖井实验台,综合采用文献调研、理论分析、实验研究等方法,研究了外界风作用下建筑竖向通道及相连空间内火灾发展特性。
  研究了烟囱效应强度对火焰形态和热反馈的影响。研究结果显示,楼梯间内的热压随着热释放速率和楼梯间开口高度的增大而增加。无量纲补风速度与热释放速率和开口高度乘积的1/3次方成正比,并且建立了它们之间的关系。对于相同的热释放速率,着火房间和前室上部的平均烟气温度随着开口高度的增大而降低;对于相同的开口高度,着火房间和前室上部的平均烟气温度随着热释放速率的增大而升高;对于较小的火源功率,着火房间上部的平均烟气温度要比前室的高;随着热释放速率的增加,房间上部的平均烟气温度要低于前室的温度。无量纲平均火焰长度与无量纲热释放速率的2/5次方成正比,但是比Heskestad提出的方程的计算值要小。对于丙烷气体燃烧器,热释放速率与燃烧器表面接收到的热反馈无关,平均火焰倾斜角度随着热释放速率的增大而增加,但是对于较大的热释放速率,增量变得相对较小。随着楼梯间开口高度的增加,油池接收到的传导和辐射热反馈增加,但是当开口楼层较高时,传导热反馈保持几乎不变;随着开口高度的增加,门口的补风速度增加,燃料的燃烧速率增加,但是对流热反馈分数保持基本不变,说明它是影响燃烧过程的主要因素,这与前人在开放空间的研究结果一致,当弗罗德数Fr大于1.0的时候,随着风速的增加,其保持基本不变;而油池接收到的传导热反馈分数轻微的降低,辐射热反馈分数增加。
  研究了竖井顶部开口正向风对竖井与走廊相连结构内火灾发展特性的影响。研究结果显示,对于一定尺寸的油池,存在一个临界风速;当正向风速小于临界值时,会发生火焰朝向转捩行为;否则,火焰的倾斜方向不会发生变化。稳定状态,当正向风速小于临界值时,火焰向竖井方向倾斜,正庚烷池火的平均火焰倾斜角度大约是71度,与油池尺寸和正向风速无关,预示着在稳定燃烧阶段,烟囱效应引起的补风产生的水平惯性力和燃烧产生的热浮力建立了动态平衡关系;而甲醇池火的平均火焰倾斜角度随着正向风速的增大而减小。当正向风速大于临界值时,火焰向室外方向倾斜,正庚烷和甲醇池火的平均火焰倾斜角度的绝对值都随着正向风速的增大而增加。当正向风速小于临界值时,正庚烷池火的平均火焰长度随着风速的增加而减小;当风速接近临界值时,达到了最小值;当风速大于临界值时,平均火焰长度随着风速的增加而增大。提出了一个判断火焰倾斜方向的无量纲数R,对于正庚烷池火,R的临界值为0.041;对于甲醇池火,R的临界值为0.085。当正向风速小于临界风速时,稳定阶段,随着正向风速的增加,正庚烷池火的燃烧速率没有明显的变化;当接近临界风速时,正庚烷和甲醇池火的燃烧速率都降低;一旦超过了临界风速,正庚烷和甲醇池火的燃烧速率随着风速的增大而增加,并且正庚烷池火的燃烧速率是开放空间中相同风速下的2倍左右。此外,当烟囱效应发生时,竖井内的平均温升和燃烧速率呈幂指数关系,否则,将保持环境温度。
  研究了竖井顶部开口侧向风对竖井与走廊相连结构内火灾发展特性的影响。研究结果显示,当竖井顶部开口存在侧向风时,在火灾发生之前,竖井内部就存在着由下而上的气体流动,即由于竖井项部开口侧向风引起的压力差形成的气体流动现象;一旦发生火灾,这种由于竖井项部开口侧向风的作用引起的竖井内由下而上的气体流动和烟囱效应的耦合作用将对烟气流动和燃烧产生影响。侧向风对正庚烷池火的影响,主要体现在燃烧开始到稳定燃烧之前,对于相同尺寸的油池,随着竖井顶部开口侧向风速的增大,门口补风速度增大,走廊内正庚烷池火燃烧速度加快,燃烧达到稳定阶段的时间提前,燃烧的总时间缩短。在稳定燃烧阶段,随着侧向风速的增大,门口的补风速度增大,而正庚烷池火的燃烧速率并没有明显的变化,说明补风速度的增加对燃烧的促进和抑制作用相互抵消;甲醇池火燃烧速率先是保持基本不变而后增加,说明当风速较小的时候,其对燃烧的促进和抑制作用相互抵消,当风速较大的时候,其对燃烧的促进作用占主导。在稳定燃烧阶段,随着侧向风速的增加,正庚烷池火的平均火焰长度减小,但是其平均火焰倾角保持基本不变,说明燃烧产生的热浮力和补风形成的水平惯性力达到了动态平衡;甲醇池火的平均火焰长度变短,平均火焰倾斜角度变小。
[硕士论文] 刘琪
安全科学与工程 武汉科技大学 2017(学位年度)
摘要:为了避免泄爆引发的有毒介质排放和泄爆火焰危害等二次灾害,基于多孔介质阻火能力和衰减压力波的作用,对泄爆过程的安全可靠性展开了研究。
  采用流体动力学软件,对不同参数多孔介质条件下球形容器泄爆收容过程进行了数值模拟,研究多孔介质对泄爆火焰传播的影响。结果表明:导管内衬多孔介质时,火焰温度明显下降,泄爆容器和收容容器内的压力值都降低,多孔介质的存在能有效降低泄爆收容过程的爆炸强度;距泄爆容器250mm导管内衬多孔介质相比距收容容容器200mm时,泄爆容器压力峰值降低4.1%,收容容器压力峰值降低24.7%;多孔介质越厚,其保护效果越好,当厚度增加到20mm时,泄爆容器压力峰值下降7.2%,收容容器压力峰值降低41.2%;在一定范围内增加多孔介质长度时,收容容器内压力峰值降低,达到900mm后,继续增加多孔介质长度,收容容器内压力峰值下降不明显,说明存在一个最佳的长度值;多孔介质分段分布时,收容容器中的压力峰值相比连续分布时下降了12.1%,可作为泄爆收容优化设计的参考。
  根据多孔介质对泄爆火焰传播的影响以及多孑孔介质淬熄火焰热理论,试验研究了针对不同爆炸强度的两种泄爆火焰抑制结构。在2.7m3爆炸容器中进行粉尘泄爆试验,首先探究安装泄爆火焰抑制结构带来的阻塞影响,发现安装泄爆火焰抑制结构泄爆最大压力Pred会增加10%左右。然后进行不同粉尘爆炸指数和剩余压力下泄爆火焰抑制效果研究,并探究实际应用中容积大小与泄爆火焰抑制结构填充量的关系,得到:粉尘爆炸指数越大,泄爆火焰抑制结构金属丝屑和惰性矿物质的填充量越大;泄爆最大压力Pred增加到0.07MPa时,只有Ⅱ型泄爆火焰抑制结构才能熄灭其泄爆火焰;对Ⅱ型泄爆火焰抑制结构在泄爆最大压力Pred取0.07MPa~0.25MPa时进行泄爆火焰抑制试验,得到了惰性矿物质与泄爆最大压力Pred的关系;由立方根定律推算得到了实际应用中不同容器大小下泄爆火焰抑制结构金属丝屑和惰性矿物质填充量的确定方法。
[硕士论文] 赵思威
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:由于航天器内大量导线电缆的使用,使得导线短路过载时所引起的电气火灾,成为了航天器正常工作所必须考虑的重点问题。首先,电气火灾的发生不仅会影响到航天器的正常运行,同时也会影响到航天员所处的生存环境。其次,航天器的内部是一个微重力环境,自然对流减弱,这一条件下导线等材料的着火燃烧与常重力条件下有很大不同,不能简单地与地面所得的着火结论进行等同处理。最后,航天器在设计时,考虑到宇航员的生存,舱内的氧气浓度会高于21%,这一变化对于材料的燃烧也会产生重要影响。随着航天科学技术的不断发展和相关应用的不断深入,“太空经济”时代已经到来,在迎接这一时代的阶段,载人航天器的防火安全问题就变得十分关键的,它对于航天员的安全、航天任务的完成以及我国的航天战略的顺利进行都意义非凡,而其中火灾安全问题的关键之一就是导线的着火。在以往的实验研究中,学者们主要选取PE、PVC等普通导线进行研究,而很少对太空中广泛使用的FEP、ETFE等高温导线开展研究,因此也主要针对这一方面展开研究。
  实验中所用到的低压实验平台主要由四部分组成:(1) JRC-500低压舱系统,用于提供实验所需低压环境;(2)实验控制系统,包括压力、氧气浓度及电流控制装置等;(3)图像采集系统,记录整个实验过程;(4)实验导线搭载系统。文中所用的实验材料是以NiCr为线芯、聚全氟乙丙烯(FEP)为绝缘层的导线,同时也进行了NiCr线芯的聚乙烯(PE)绝缘层导线在部分工况下的实验,用于对比分析。低压舱内的温度(20℃),湿度(40%)等均保持不变,实验中设定9个环境压力工况(20 kPa-100 kPa,10kPa间隔)和3个氧气浓度(OC)工况(21%,30%,40%,体积浓度),共计27个工况,这些工况主要通过低压舱系统和控制系统实现。实验中控制过载电流为13A不变。整个实验过程都在暗室中进行,以避免外界光源对着火图像的影响。
  通过对实验现象和实验结果的分析,得出以下结果:FEP导线在电流过载时发生的热解可分为两部分,一是绝缘层外部热解,该过程中产生的热解气体,其形状会随着环境压力而变化,且热解气体上升速率随着环境压力的增加而降低,与氧气浓度的关系不大;二是绝缘层内部热解,该过程产生的热解气体会在导线内部积聚,形成热解气泡,热解气泡的宽度随着压力的增加而增加,而高度则随着压力的增加而降低。热解气泡达到最大尺寸后会发生破裂并喷出热解气体,随后发生着火现象。FEP导线喷射着火时,着火点在导线中间位置出现的概率最高,根据其着火特点,喷射着火可分为对称式喷射着火和非对称式喷射着火两种情况:非对称式喷射着火的火焰形状像“日珥”,一端先发生着火,然后引燃另一端的热解气体;对称式喷射着火从着火瞬间到达到最大火焰的过程中,火焰形状始终保持对称。对于着火时间的研究,主要把着火时间tig分为气泡形成时间tb和引导时间tin两部分,气泡生成时间tb定义为实验回路通电瞬间到热解气泡达到最大尺寸时的时间间隔,引导时间tin定义为气泡破裂瞬间到着火瞬间的时间间隔,通过对实验结果分析,得出tb随着环境压力的增加而降低,其与氧气浓度之间的关系不大;tig随着环境压力的增加而降低,且氧气浓度增加也会使tin降低。由于着火时间tig是上述两个时间之和,因此其会随着环境压力的增加而降低,随着氧气浓度的增加而降低。
[硕士论文] 黄晓哲
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:高原、高空等低压低氧环境下的火灾防控一直以来是社会关注的热点问题。碳烟是含碳可燃物未完全燃烧的产物,是观察可燃物燃烧行为的重要参数。研究低压低氧条件下的碳烟分布规律,对进一步深入研究高原、高空环境下燃烧行为特征和火灾防控方法具有重大意义。
  本文主要研究了几种典型可燃液体在低压下的层流扩散火焰形态特征及碳烟浓度分布规律。利用内径为240 mm、高度为600 mm,可调压力范围为40~101kPa的低压燃烧实验舱及酒精灯式燃烧器,分别对8种可燃液体样品在7个低压工况下(40、50、60、70、80、90和101 kPa)进行了燃烧实验,样品包括3种纯净物(正己烷、正庚烷和正辛烷)、3种混合物(纯净物按质量配比)和2种商用燃料(汽油和航空煤油)。
  定量分析了三种可燃液体纯净物在40~101kPa压力范围内的火焰高度、宽度及其与压力的关系,发现其火焰高度均随压力升高而增加,火焰宽度随压力增加而减小,含碳量越高,火焰宽度随压力的变化越慢。
  利用激光诱导炽光法研究了8种实验样品在低压条件下火焰碳烟浓度分布规律与压力变化的关系,结果表明对同一可燃液体,压力越高,碳烟浓度越大;在同一压力下,可燃物含碳量越高,碳烟浓度越大。从火焰根部到顶部,碳烟浓度的集中分布位置分为两个阶段:从火焰根部到某一临界高度,碳烟集中分布在以火焰中轴线为中心的环形区域内;从临界高度到火焰顶部,碳烟集中分布在火焰中轴线上。
  通过对本实验中整个火焰的碳烟浓度峰值进行半定量分析,并与其他学者的实验结论进行比较,得到规律:该峰值与压力成指数关系,可燃物含碳量越高,指数越小。
[硕士论文] 何选泽
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:高原和航天飞行器等低压环境中的火灾安全受到越来越多学者的关注,低压固体火蔓延是火灾安全中的重要基础课题,火蔓延决定了火灾初始速率和火灾规模,研究低压环境下固体火蔓延特性,对于低压环境的火灾防控有重要的指导意义。通过对研究现状进行总结,发现低压下近熄灭极限区的火蔓延研究较为缺乏,低压下火蔓延近熄灭极限区向幂指数区转捩机理更亟待进一步研究。
  本文选用热薄纸张作为研究对象,自主设计并搭建了低压实验舱和火蔓延实验系统,通过有规律的改变环境压力和氧气浓度,开展了一系列的低压水平火蔓延实验研究。通过火蔓延特征参数(火蔓延速度、火焰图像、火焰辐射和火焰温度)的实验测量,结合燃烧学和传热学对实验现象进行了深入的理论分析。
  首先实验研究了压力和氧气浓度耦合的火蔓延熄灭极限,发现极限氧气浓度下的火蔓延速度,火焰宽度和火焰厚度变化规律一致,均随着压力的升高而逐渐降低,但在30 kPa时均出现了突然增大的现象。
  其次研究了压力和氧气浓度单一变量下的火蔓延规律,发现压力25 kPa时,火蔓延速度开始线性增长,火焰图像的内部蓝色火焰逐渐变黄,火焰亮度增大,形状也由椭圆形逐渐变成三角形,火焰辐射也突然增大。
  最后结合实验结果与文献数据,研究了低压火蔓延近熄灭极限区转捩幂指数区机理,通过深入分析热边界层厚度和热反馈能量,提出25 kPa为火蔓延近熄灭极限区与幂指数区分界压力,揭示了火蔓延分区转捩机理,并建立了纸火蔓延在压力和氧气浓度耦合作用下的全局模型。
[硕士论文] 薛岩
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:导线的绝缘层往往是聚合物材料,着火后容易发生持续的火蔓延现象。导线的火蔓延过程中间伴随着绝缘层的熔融滴落现象,这是一个复杂、多相、物理与化学反应的过程,并且给航空航天飞行带来了非常大的火灾安全隐患。此外,由于航空航天器自身环境特殊性,飞机所处的环境压力大约为80千帕,而空间站所处的又是微重力环境,氧浓度一般控制在30%左右,与地面环境有很大的不同。如果仅仅依靠地面常规的实验来判断导线火蔓延的危险性,往往不能准确预测航空航天器实际应用中的环境情况。因此,在地面环境下,建立适宜的实验设备模拟低压条件和高氧浓度空间,意义显得非常重要。
  本文在总结调研前人对导线火蔓延研究的基础上,选取镍铬合金线芯聚乙烯绝缘层(NiCr-PE)导线,铜芯聚乙烯绝缘层(Cu-PE)导线和镍铬合金乙烯四氟乙烯绝缘层(NiCr-ETFE)导线为研究对象,自主设计了低压实验舱设备和导线火蔓延实验平台,研究了不同压力,不同氧浓度下三种导线的火蔓延速度和火焰形态特点,重点分析了NiCr-PE导线与Cu-PE导线熔融的熔融滴落过程,揭示了导线火蔓延过程中熔融滴落现象的机制。
  在理论研究方面,本文参照液滴蒸发燃烧模型,分析了PE导线熔融滴落的物理过程和传热传质特点,建立了熔融滴落的质量守恒方程,得出了液滴直径(D(t))的增长公式。通过对熔融液滴的受力分析,得出了熔融液滴的理论滴落周期(t0)和临界滴落直径(Dcr)值。
  在实验研究方面,首先根据不同压力下的PE实验结果,验证了理论t0与Dcr的正确性。然后对比分析了NiCr-PE导线与Cu-PE导线的火蔓延速度随氧浓度和压力的变化关系的区别,定义了PE导线熔融滴落上限和滴落下限的概念,得出了不同氧浓度下,两种导线滴落上限和滴落下限的变化规律。最后分析NiCr-PE导线与NiCr-ETFE导线的实验结果,对比了两种绝缘层材料对火蔓延速度与火焰形态的影响。
[硕士论文] 陶奇
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:森林地表火蔓延是森林火灾最主要的形式。本文主要研究点火源引燃条件下坡度和燃料载荷对火蔓延过程的影响。在变坡度火蔓延实验台上,用刨花丝为燃料,分别开展变化7个坡度角和3种燃料载荷的点火源引燃火蔓延实验研究。重点分析火焰几何参数(火线夹角,火焰倾斜角,火焰长度)、火线形状、全局火蔓延速率、局部火蔓延速率以及火前锋阻滞时间的变化规律。
  上坡火线夹角、火焰倾斜角随坡度角的增大而减小,火焰长度随坡度角的增大而增大。平坡条件下,火线呈规则的圆形,阻滞时间高于上坡火前锋的阻滞时间。坡度条件下,火线形状会呈泪滴状,当坡度角低于20°时,上坡火蔓延速率随坡度角缓慢增大;当坡度角高于20°时,上坡火蔓延速率随坡度角迅速增大。上坡火蔓延表现出整体稳定和局部波动的特征。自引燃点向下、左、右的火蔓延速率随坡度角的增大震荡变化。
  上坡火焰长度随着载荷的增大而增大,引燃点位置向上、下、左、右的火蔓延速率均随载荷的增大而增大。高坡度条件下(22.5~30°)上坡火蔓延速率随着载荷增大的速率,高于低坡度条件(0~20°)。除平坡外,任意坡度下4个方向上的火前锋平均阻滞时间均随载荷的增大而增大。
  上坡火蔓延过程中,随坡度角增加,火焰长度增长且火焰倾斜角增大,火焰对燃料的辐射传热增强,引发了火蔓延速率的增大。
[硕士论文] 崔杰
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:汽车作为代步工具慢慢进入我们的平日出行,提供便捷的同时也带来一系列安全问题。汽车油品是一类热值高、危险性强的材料,是车辆火灾主要危险源之一。汽车在运行过程中发动机舱积聚着大量热量,各类油品暴露于热辐射下,且行车过程中由于颠簸、碰撞导致的燃油泄漏、滴落而引发的火灾举不胜数。因此,研究汽车油品在外部辐射条件下的燃烧特性和火灾危险性对汽车油池火蔓延的预防和控制,降低火灾危害程度具有重要意义。
  目前国内外关于汽车油品在外部辐射条件下的研究较少,本文在对汽车油品火灾现状调研的基础上总结出油品燃烧的原因主要有两个,一个是外部火源引燃,即油品遇到电火花或其他火源引起火灾;另一个是油品自燃,即油品在车内热辐射条件下自身发生物理化学反应达到自燃点引发火灾。本文在辐射条件下对两种情况都进行了研究,所选取的油品样品均为目前市场上通用的油品,由江淮汽车提供。
  本文在锥形量热仪上对汽车上典型非动力油即变速器油(ATF和CVTF)、防冻液(JHOA)和润滑油(PAG)在不同辐射条件下的燃烧危险性进行研究,测得点燃时间、热释放速率、放热总量等一系列参数来表征其着火危险性。可以发现ATF和CVTF-EXI着火时燃烧时间较长,而JHOA和PAG着火时火势增长较快。基于实验结果,从火灾增长指数、火灾性能指数、热危险性评价等多方面分析讨论了四种油品的火灾危险性。综合考虑可得ATF危险性高于CVTF,JHOA危险性最低。同时研究了变速器油ATF和CVTF在外部辐射强度下的自燃情况,通过对点燃时间和辐射强度的拟合得到了ATF和CVTF的临界辐射强度,并同电火花点燃进行了对比,由于点燃主要为热解控制,而自燃属于热解同自身反应等共同控制的,故自燃所需临界辐射强度高于电火花点燃所需辐射强度。利用Petrella评价体系对油品自燃和点燃时的危险性进行判定,发现相同辐射强度下明火引燃时油品危险性远大于自燃危险。最后在自制测试台上分析了不同辐射强度下油池稳定燃烧阶段燃烧速率和火焰高度的变化特征,通过理论分析,得到了无量纲火焰高度同外部辐射强度成2/3的幂指数关系。根据实验数据,确定模型中所需参量,得到不同外部辐射强度下火焰高度的预测公式。
  本文的实验数据可丰富汽车可燃材料燃烧特性参数数据库,也可为汽车火蔓延的数值模拟提供基础数据。
[硕士论文] 刘义
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:船舶火灾是船舶海难事故中危害性较大的一种事故,是船舶安全研究的重大课题。船舶火灾可发生在机舱、货舱、客舱和甲板等含可燃物的位置,其中机舱、货舱和客舱属于封闭腔室火灾,火灾烟气的危险性较大,疏散困难。而机舱内的可燃物的危险性远大于货舱和客舱,是船舶火灾的最常见也是研究最多的火灾模式。由于机舱火灾的复杂性和特殊性,研究者们对机舱火灾发展过程认识不足,机舱火灾烟气控制技术发展缓慢。因此对船舶机舱内火灾烟气运动和控制技术进行研究具有重要意义。
  本论文在22m(长)×12m(宽)×14m(高)的实验舱内开展了烟气自然填充实验和烟气控制实验,烟气自然填充实验研究不同火灾规模和不同火源位置的烟气运动规律,机械排烟控制实验研究了送风口位置、排烟风机启动时间以及排烟风机排烟量大小对烟气控制效果的影响。本论文测量的参数有燃料的质量损失速率、舱室内烟气温度以及舱室内烟气的沉降时间,得出以下几点结论:
  通过分析不同火灾规模、不同火源位置的对烟气沉降和舱室烟气温度的影响,发现舱室内烟气温度随着火源功率的增大而增大,烟气沉降速率随着火源功率的增大而加快,当火源功率较小时,顶棚温度较低,喷淋的喷头无法启动。当火源被移至墙边时舱室内的温度和烟气沉降的速率都降低;火源被抬升4m后,顶棚温度较高,消防喷头能启动,烟气的卷吸高度降低,烟气产生减少,烟气沉降速率变慢,烟气稳定在8m高度,火源抬升后对地面的工作人员疏散有利。实验舱室内设置有不同尺寸的填充物,发展了有填充物舱室的烟气沉降时间的预测模型,与前人推导的烟气沉降模型对比,发现本文推导的模型能更准确的预测烟气沉降的时间。
  通过分析送风口位置、风机启动时间和排烟量对烟气控制的影响,发现送风口在1.5m高度时烟气控制效果较差,送风促进燃料燃烧,加速烟气的沉降;送风口在5m高度时,火焰发生倾斜,送风对燃烧有冷却作用,控烟效果较好;送风口在9.5m高度时,对烟气层有冷却效果。对比点火后立即开启风机和点火90s之后开启风机,风机立即开启,烟气沉降较慢,火灾发生后,应尽早开启风机。通过对排烟量的大小对控烟效果的分析,可知排烟效果并不是一直随着风量的增加而变好,当排烟量从34.57m3/s增至47.11m3/s,温度降低的幅度不大,部分测点温度没有变化,烟气沉降的变化也不大,最佳排烟量是34.57m3/s。
[硕士论文] 王娟
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国城市人口和机动车数量快速增长,很多城市道路交通出现拥堵状况。特别是对于山体城市重庆,地势起伏大,平地少、山路多,在交通枢纽地段,商业建筑用地往往会和道路改建策略发生冲突,此种情况下,设计者大胆创新提出道路下穿商业建筑的方案。本文研究的十字平交通道是主、辅通道在中间位置十字相交的一种较为少见的新型城市道路形式,通道上方是大型商业综合体建筑,两侧有商业店铺,通道内车流量和人流量十分繁杂,火灾隐患多且复杂难控制,一旦发生火灾,人员往往需借助十字平交通道进行疏散,因此需设置必要的通风排烟设施来提高其消防安全性。
  笔者通过调研,发现十字平交通道缺乏规范定性,目前类似工程案例在通风排烟设置方面没有统一的标准做法,前人研究成果也缺乏对十字平交通道内通风排烟模式的研究,需采用一定的研究方法进行论证。
  本文采用数值模拟软件FDS着手研究主通道内发生不同火灾规模火灾时,辅通道三种通风排烟模式的烟控效果,综合考虑不同火灾规模、火源位置、射流风机位置、射流形式、射流风速等的影响作用。模拟结果表明:
  (1)辅通道单侧射流、两侧同向射流和两侧相向射流作用均存在最小临界风速。火灾规模为0~30MW,最小临界风速值随火灾规模变化关系为:Y=Y0+bX,其中b的大小取决于风机射流形式。
  (2)两侧风机相向射流对应最小临界风速最大,烟层结构破坏严重,火场温降效果最差;单侧风机射流和两侧风机同向射流对应的最小临界风速值较小且差别不大,结合工程实际情况,考虑单侧风机射流模式为较合理优化的方式。
  (3)辅通道单侧风机射流所用下,主通道发生5~100MW火灾时,辅通道最小临界风速Y随火灾规模X呈指数增长关系Y=Y0+A*exp(R0*X),当火灾规模增大到90MW时,辅通道对应最小临界风速值趋于定值。针对市区道路常见火灾规模,辅通道射流风速一定时,主通道最大可控火灾规模Y与火源坐标位置X呈线性关系式Y=Y0+bX。
  本文对十字平交通道内烟气运动和机械通风排烟方面的研究成果可以为类似工程案例的通风排烟设计提供参考。
[硕士论文] 周巍
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:轧制加工是当今钢铁工业以及有色金属制品工业的主干工程,热轧机车间中生产工艺布局复杂,用电设备众多,大量使用可燃液体以及动力电缆,一旦发生火灾,危险性很高,造成极大的经济财产损失,生产企业常选用防火布来保护生产设备设施的消防安全。
  本文通过锥形量热仪实验和实体火灾实验研究了热轧机车间动力电缆的被动防火系统具体应用方案。
  1、锥形量热仪实验
  本文选取五种常用的防火布石棉纤维防火布、陶瓷纤维防火布、硅胶防火布、涂胶防火布、碳素纤维防火布,通过锥形量热实验研究不同辐射强度对防火布燃烧性能的影响。结果表明:所选五种样品在受热辐射作用时均可被点燃,点燃时间的均方根倒数与辐射强度之间呈现线性关系;在35 kW/m2辐射强度工况下,碳素纤维防火布的热释放速率最大,达到272.59 kW/m2,有效燃烧热的峰值也最大,达到529.52 kJ/g;综合比较各样品的燃烧性能,防火能力强弱顺序为硅胶防火布>石棉纤维防火布>陶瓷纤维防火布>碳素纤维防火布>涂胶防火布。
  2、实体火灾实验
  通过实体火灾实验分析研究了热轧机车间不同类型防火布对动力电缆包裹的具体应用方式:
  通过预实验,对比了庚烷池火和液压油池火在6mm石棉纤维防火布包裹状态,庚烷的火焰温度高于液压油火焰温度,但是防火布内层温度比较一致,实验时间5min内,对电缆的保护效果比较一致,温升情况也比较接近。6mm厚度防火布在300s内能够实现包裹和保护电缆的作用,同种包裹厚度下,三种耐高温防火布中,石棉纤维和陶瓷纤维防火布包裹性能较优,两种防水防护布材料中,硅胶防火布包裹性能较优。
  通过正式实验,五种防火布的包裹顺序为陶瓷纤维防火布>石棉纤维防火布>硅胶防火布>碳素纤维防火布>涂胶防火布。选取石棉纤维防火布和陶瓷纤维防火布与硅胶防火布组合包裹发现,外层不刷油时,硅胶防火布(内层)+陶瓷纤维(外层)包裹性能最优;外层刷油时,石棉纤维防火布(内层)+硅胶防火布(外层)包裹性能最优。
  通过本文的研究,在实际生产应用中,硅胶防火布、石棉纤维防火布、陶瓷纤维防火布的防火能力较强,在机器漏油情况少的车间,选取硅胶防火布(内层)+陶瓷纤维防火布(外层)包裹性能最优,在机器漏油较多的车间,石棉纤维防火布(内层)+硅胶防火布(外层)包裹性能最优。本文研究能够为同类型生产企业设置被动防火系统时提供指导和借鉴。
[博士论文] 刘家豪
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:由于环境压力对燃烧过程中的物理和化学反应有着显著的影响,低压下的火灾现象在最近引起了越来越多的关注。我国拥有四大高原,覆盖了大约1/3的国土,特别是青藏高原,其平均海拔高度超过4500 m,并且拥有数量众多的古建筑。高原上的低压环境导致了不一样的火灾特点,因此,也需要更加实用的理论支撑来发展相应的防火和灭火技术。此外,全球蓬勃发展的航空业也为识别和抑制航空运输中潜在的火灾危险性提出了新的挑战,因为货物在运输过程中通常都处于低气压环境。同时,在高高原地区(海拔大于2438 m)也相继建设了一批机场,其中我国就有超过12个高高原机场,这些场所内航空燃油的火灾危险性也需要进一步关注。明确了压力不同导致的燃烧行为的不同,将会对高原和航空环境下的防火提供有效的指导。
  在研究低压对火灾行为的影响中,最常用的两种模拟低压环境的方法就是高原实地或者是采用压力可控的低压实验舱。为了研究低压舱能否真实地模拟高原环境以及低压实验舱的应用范围,本文分别采用了这两种实验方法,开展了不同油盆尺寸的正庚烷池火,对比分析了两者在燃烧强度、火焰形态以及轴向羽流分布等参数上的区别。结果发现:仅对于直径6~12 cm的池火,低压舱实验可以较好地模拟准稳态阶段的燃烧强度;所有工况条件下,火焰形态均存在差异,低压舱实验的火焰细长度较高;在考虑压力影响的情况下,准稳态阶段的轴向温度分布与经典的火羽流理论符合较好,而对14 cm的池火,实地实验和低压舱实验的羽流温度表现出明显的差异。
  基于上述的结论,在低压舱内开展了直径6~10 cm的正庚烷池火实验,实验在四种静态压力下进行,分别为101、80、60、40 kPa。质量燃烧强度主要由对燃料的热传导、对流和辐射热反馈决定,分析表明,对流项是燃料汽化的主要热源。当油盆直径为6 cm时,建立了新的理论模型解释燃烧强度与环境压力的依赖关系。视频记录显示,火焰高度随压力下降而上升,无量纲分析结果与实验现象相符。为了进一步验证压力模型和辐射模型在低压下的适用性,在高原实地开展了一系列较大尺寸的池火实验,实验采用三种不同碳烟水平的燃料,包括乙醇、正庚烷和航煤,每组实验均记录了质量损失、辐射温度分布和辐射热流三个参数。从对实验数据的分析看出,无量纲燃烧强度(m)"μ/D与Gr数存在指数关系,且指数因子随着燃料碳烟水平的上升而上升。关系式△T~[z(P/Q)2/5]η可用于拟合轴向羽流温升,修正的分界线0.42和1.06可以很好地划分三种燃料池火的火焰区、间歇区和羽流区。此外,随着燃料发烟水平的下降,其火焰温度呈上升趋势,而辐射热流值则相应下降。不同燃料的辐射热流均正比于LmT5f,并且在低压条件下碳烟体积分数随着燃料发烟水平的下降而下降。
  为了研究火焰触及顶棚情况下不同顶棚高度对池火燃烧行为的影响,利用缩小尺寸的锥形量热仪在顶棚高度Hef/D=0.43~2.5下开展了一系列正庚烷池火实验,定量分析了燃烧强度、燃烧产物浓度及燃烧效率等典型参数。研究结果表明,随着顶棚高度的持续下降,燃烧强度首先在Hef/D=1.38上升到最大值,然后下降,呈现出抛物线变化趋势。燃烧产物CO和CO2的最大浓度表现出与燃烧强度相似的变化规律,然而CO总产生量随着顶棚高度的下降单调上升。另外,碳转化率与燃烧效率求得的结果相类似,它们均呈抛物线变化规律。除此之外,还在高原地区开展了一系列不同油盆尺寸、不同燃料的池火实验,实验在水平非受限顶棚下方开展,研究顶棚下方的最大温升,实验结果表明,高原上顶棚下方最大烟气温升比Alpert模型的预测值要高很多。考虑到环境压力和卷吸系数的影响,基于理想羽流模型,提出了预测不同环境压力下顶棚最大温升的理论模型,且在采用此模型时,可以很好地统一常压和低压下的实验结果。
[博士论文] 曹淑超
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着经济社会的快速发展,各种结构复杂的建筑设施大量涌现,同时伴随着行人出行频率的增加和大型公共活动的增多,在一些公共场所如学校、体育馆、地铁站、火车站等经常出现大规模人群的聚集。在高密度人群环境中,个体运动严重受阻,容易引发拥挤踩踏。当前针对行人疏散的研究绝大多数都集中在行人视野正常、外界能见度良好的情况下,然而当火灾发生时产生的烟尘或其它原因造成电力照明系统崩溃会导致外界能见度下降,此时行人的视野会受到不同程度的影响。所以本文采用实验和模型相结合的方法,对视野受限下行人微观运动和疏散过程进行了研究。
  为获取行人在视野受限条件下运动的基础数据,我们首先开展了基本的单列行人运动实验。后期基于实验视频和轨迹分析,发现行人在视野受限情况下倾向于寻找边界和跟随前方行人运动;随着人员密度的增加,行人轨迹的侧向摆幅增大;随着能见度的降低,高密度下走停现象开始占据交通主导,并逐渐向中等密度延伸;前向距离与运动速度关系可以分为运动受限和自由运动两个阶段:在运动受限阶段,前向距离与运动速度之间的相关性随着视野受限程度的加重而越来越弱;而在自由运动阶段,不同透光率下行人的自由运动速度都符合高斯分布(vLT=0.3%~N(1.31,0.072),vLT=0.1%~N(0.71,0.092)和vLT=0.0%~N(0.45,0.102));视野受限条件下密度与流量关系大致可以分为三个阶段:自由流阶段、最大流阶段和拥挤流阶段。透光率0.3%、0.1%和0.0%下的最大流量分别为1.3s-1、1.1s-1和0.9s-1左右。
  为研究视野受限情况下行人的疏散过程,我们分别针对视野部分受限和完全受限两种情况开展了疏散实验和模型模拟。在部分受限的超市疏散实验中,观察到行人的一些典型行为包括跟随行为、帮助行为和寻找依附物行为。随后又设计了调查问卷进一步对受限视野下的行人疏散进行研究,发现问卷结果与实验观察结果存在一定差异。最后构建了考虑视野受限情况下行人典型行为特征的疏散模型,不同场景下模拟结果与实验结果的高度吻合验证了模型的可靠性。针对完全受限的情况,实验观察到行人首先会沿着当前的朝向运动去寻找墙壁;在找到墙后此时行人有选择左手侧方向运动的倾向;之后行人会继续沿墙运动,运动过程中行人会采取不同的策略来解决与他人的冲突,直至最后找到出口离开。此外T检验结果表明行人沿墙运动速度大于未找到墙的运动速度。随后基于实验观察和分析结果,建立了多格子人员疏散模型,模拟重现了实验中行人的典型运动特征。最后通过对比正常视野和视野完全受限下的疏散,发现两者既有相同点也有不同点。相同点是:人员在均匀分布、随机分布和集中分布下,整体的疏散时间差别不大;两种视野情况下的行人疏散时间都随着初始人员密度的增加而上升;增加出口数量能降低人员疏散时间,视野完全受限情况下效果更显著;疏散过程中连续两人通过出口的时间间隔都呈现幂律关系。不同点是:正常视野下行人运动速度更快并且疏散距离更短,故其所需的疏散时间明显要短于视野完全受限下的疏散;增加出口宽度对于正常视野下的疏散十分有利而对于视野完全受限下的疏散几乎没有影响;正常视野条件下疏散中行人大多集中在出口附近,而在视野完全受限下墙的周边是人员高密度区域。
  通过以上研究我们对视野受限条件下的行人运动和疏散有了更深的认识,接下来将探讨该如何对视野受限环境中的行人进行疏散引导。首先,基于多格子模型我们建立了考虑引导员存在的人员疏散模型。模型中一共设置两种行人类型:引导员和跟随者。其次,针对视野受限情况下的引导员数量、类型、分布、运动速度及引导策略对疏散时间的影响开展了模拟研究。最终模拟结果表明:有标识的引导员在人群中容易被其他行人识别,从而能发挥更大引导作用,其疏散时间较无标识的引导员情况降低了7%;动态引导中引导员通过自身运动扩大了引导范围,疏散时间较静态引导下减少了20%;综合考虑人力成本和疏散时间的情况下存在一个相对较优的引导员数量;引导员的均匀分布能覆盖更大的引导面积从而更有利于整体疏散,但这跟实际中其他行人的分布有关;引导员的运动速度约为其他行人速度的75%时,疏散引导效果最优;对比不同的疏散引导策略,发现综合考虑与目标行人的距离和目标行人周围人数策略下的整体疏散时间最短;多个引导员之间的交流合作能避免在选择引导目标时产生冲突,此时整体疏散效率提高了6%。
[博士论文] 朱培
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:传统化石能源的使用带来的环境问题日益严峻,天然气作为一种低碳清洁能源逐步成为工业生产、交通运输及居民生活等过程中的主要能源。然而在天然气的运输和存储过程中极易因管道腐蚀、设备老化、人为破坏等因素导致天然气泄漏事故的发生。天然气泄漏后往往会大面积扩散,极易引发重大的火灾爆炸中毒事故,往往会造成重大的人员伤亡和经济损失。因此开展天然气泄漏及其火灾事故的防治工作具有重要的科学意义和实用价值。
  细水雾灭火技术因其清洁、灭火效率高、用水量少等优点,已经被广泛应用于工业生产中的诸多领域,然而基于细水雾灭火技术的天然气泄漏事故防灭火研究相对较少。细水雾与天然气冷态高速射流相互作用的研究目前依然缺乏,仅部分研究开展了细水雾熄灭气体射流火的实验研究,但仅从宏观角度得到了典型灭火现象及灭火有效性等结果,而相互作用流场特性则是从本质上揭示其作用效能及相互影响机制。因此,本文通过小尺度实验和数值模拟方法,基于2D-PIV速度测量技术,开展了细水雾与冷/热态天然气泄漏射流相互作用的模拟研究。
  为了获得细水雾对冷态天然气泄漏射流的控制和衰减机制,采用氮气代替天然气作为泄漏气体,开展了细水雾与冷态气体泄漏射流垂直和倾斜相互作用的实验研究。考虑到实际小孔泄漏场景,本文研究中气体泄漏射流速度涵盖亚音速和音速范围。研究发现:对于气雾垂直作用场景,气体射流羽流上升高度主要由气雾动量比和气雾射流张角共同决定的。根据临界气体羽流上升高度,气雾流场可以被划分为气体主导模式和喷雾主导模式,后者应为实际应用遵循的模式。由于高速气体射流卷吸作用,气雾作用流场两侧形成CVP涡结构,这会增强气雾混合程度及对气体泄漏扩散的衰减效果。气雾作用界面Zb可以用基于有效气雾动量比φEff的指数函数模型进行预测。在实际应用,对于细水雾,应考虑设计成雾锥角相对较大,喷雾中心区域雾滴速度和粒径较大,边缘处为小雾滴的喷雾特征。对于气雾倾斜作用场景,当气雾射流主体中心线交点位于气雾流场垂直中间位置时,气雾混合作用效果最好。喷雾锥角大,覆盖面积大对倾斜气流射流具有更好的控制和衰减作用。速度流场结构表明在气体羽流两侧形成非对称的气雾作用界面,气雾剪切作用较大的一侧气雾掺混程度最剧烈,且存在一个明显的顺时针涡结构;此外,在竖直方向仍然存在一个气雾作用界面。
  针对细水雾与热态天然气泄漏射流相互作用,开展了细水雾与甲烷气体泄漏射流火相互作用的实验研究。灭火实验结果表明:对于气体射流火,火焰功率较小时,其灭火有效性主要由喷雾动力学效应决定。而当火焰功率较大时,其灭火有效性主要由火焰流动状态和喷雾动力学效应共同决定;当雾滴粒径和喷雾压力均较大时,灭火时间随火焰功率的增大,呈现先增加后减小的趋势,且在一定喷雾压力范围内存在一个最难熄灭临界状态,其灭火时间的减小主要由于喷雾作用下火焰自我吹熄现象造成的。相对于圆形喷口,细缝形喷口射流火较难熄灭,主要由于后者火焰宽度大,灭火过程中空气卷吸能力较强。流场测量结果表明:当雾滴粒径和雾动量均较小时,火焰较难扑灭,形成明显的雾火作用界面,火焰上方雾场区域受热羽流影响雾滴速度均有所降低;随着火焰功率的增加,雾火作用界面上升,雾滴很难直接穿透火羽流,此时火焰区域雾滴主要是从两侧卷吸进入;边缘处雾滴受热浮力作用向上运动,在喷雾两侧形成CVP涡结构。当雾滴粒径和喷雾动量均较大时,火焰较易被扑灭,雾火作用剧烈程度增加,火焰不稳定性增强;部分液滴可以穿透火羽流端部区域,导致流场测量竖直雾火作用界面低于实际灭火过程火焰高度,且雾场区域雾滴速度呈现不同程度的降低;雾场边缘处雾滴基本不受火羽流的影响而向下运动,同样在雾火作用边界会形成涡旋结构。
  基于ANSYS Fluent14.5的细水雾与冷态高速气体射流模拟结果表明:气雾作用界面变化趋势与实验相同,但气雾作用界面位置的预测值高于实验测量值,这是由于数值模拟对高速气流卷吸雾滴作用的预测有限。但对水流率和雾锥角较大的喷雾工况,预测结果相对较好。基于FDS6.3的细水雾与甲烷射流火相互作用模拟研究表明FDS可以较好的预测喷雾动力学特性;对快速灭火和灭火失败典型灭火过程也可以进行很好的预测,同时再现了灭火过程中HRR、温度、蒸汽质量分数等参数变化特性。
[博士论文] 陶骏骏
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:针对树冠火发生和蔓延规律的研究是森林火灾预防和控制技术中的重要研究课题。生物防火林带作为林火防控的关键技术,针对其阻火机理的研究目前停留在树冠叶片可燃性层面,没有形成有说服力的认识并建立相应的技术理论体系。阔叶树叶在树冠中呈现显著分层特性,针对分层树叶燃料可燃性的研究不仅可以加深对树冠火蔓延规律的认识,同时也增进对生物防火林带阻火机理的科学认识,从而推动该项技术的完善与发展。
  对典型阔叶树树叶的热解特性及燃烧热值进行测试和分析,一方面可以直观呈现阔叶树叶形成明火的潜力,另一方面也为后续工作奠定数据基础。利用综合热分析仪开展热解实验,并利用单组分反应和多组分平行反应模型分别进行动力学解析。结果表明,不同种类树叶热解反应的表观活化能范围为43~80 kJ mol-1,而茎(枝)的在84~110 kJ mol-1之间。分析表明,表观活化能在很大程度上反映叶片中纤维素含量,并不表征特定组分热解反应的能垒信息。实验测得失重峰处对应转化率越低,单组分反应模型对植物热解反应过程描述的贴近程度越高。
  选取了27种不同科属的木本植物叶样,开展元素分析、工业分析及热值测试。结果表明,植物叶样的干基高位热值HHVd在17.48~24.01 MJ kg-1之间变化,平均值为21.30 MJ kg-1。其中,同种科的植物叶片热值大小一般较为接近。干基高位热值受样品自身灰分含量影响可以忽略。分析表明,叶样干基高位热值波动与其挥发分和固定碳的含量分布密切相关。叶片中挥发分和固定碳间含量比值随着样品中氧碳摩尔比增加而增大,并且固定碳在可燃组分中的相对含量对应样品中木质素含量。样品氧碳摩尔比和氢碳摩尔比的增加意味着其木质素含量降低,使得其干基高位热值减小。植物叶片的干基高位热值可以分别由经验式HHVd=18.93VMd+36.95FCd和HHVd=0.4478Cd+1.4072Hd-0.2837Od来准确计算获得,据此还可以迅速确定样品收到基热值。
  利用锥形量热仪开展具有分层特性的树叶样品的着火实验,以模拟野外林火环境下树冠层叶片的辐射引燃过程。实验结果表明,在特定辐射热流强度下,新鲜树叶样品主要呈现两种典型着火模式:一种是在点燃初期出现短时间气相火焰厚转为阴燃;另一种是在测试过程中仅出现阴燃。随着外部辐射热流强度提高或挥发分含量增加,样品在点燃初期的着火模式会由纯阴燃向有焰燃烧转变。理论分析表明,样品表层初始挥发分含量及表层温升速率是影响样品产生挥发分质量通量水平的主要因素,进而决定样品在点燃过程中是否出现明火。
  根据树叶样品的分层特性,将样品分离成具有热薄特性的表层和热厚特性的内层,由此建立起两部分的能量守恒和质量守恒的积分模型。计算结果表明,表层在样品点燃过程中接受的辐射能量主要用于表层水分蒸发和内能增加,向内层的热量输运占份额相当小。这导致能量分配关系呈现出典型的表层效应,进而使得内层对点燃现象的影响被严重削弱。水分含量降低会削弱样品表层吸收和遮挡热量的效应,相应导致内层传热项的量阶显著增加。
  构建考虑热解反应的分层样品辐射引燃模型,并以临界挥发分质量通量为点燃判据,可以对分层燃料出现明火的临界条件作进一步分析。结果表明,树叶样品产生挥发分主要来自于表层,并且表层贡献比例会随着辐射热流强度提高而增加。树叶含水量越低,表层对样品挥发分质量通量的贡献比例相应越小,意味着树叶样品分层特性被明显削弱。分析表明,随着树叶样品含水量减少,内层产生挥发分质量通量会增加,这导致样品出现明火的临界辐射热流强度降低。
  作为比对,构建出针对连续性可燃物的点燃模型,以直观呈现致密性材料与分层燃料间点燃条件和现象的差异。计算结果表明,样品点燃过程中实际吸收净能量会因外部辐射热流强度提高或环境风速减小而相应降低,并随着样品含水量增加而增加。净吸收能量与表观能量比值Eig/Ea主要取决于外部辐射热流强度和点燃时刻表面热损速率,基本与样品种类和含水量无关。分析表明,比值Eig/Ea可以表示为表征点燃条件优劣程度的参数γig的函数。建立的认识不仅可以由表观能量以及经验式来精确计算出点燃过程中固体净吸收能量,同时也为构建基于“最小所需能量”的着火判据奠定基础。
[博士论文] 傅丽碧
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:人员疏散是公共安全领域的一个重要研究方向,是紧急情况下保证人员生命安全最重要的措施之一。行人与疏散动力学研究有利于高效、安全以及舒适的行人交通设施设计(如在地铁站、体育场馆、机场等)和大规模人群管理。随着近年来突发事件的不断增加,行人与疏散动力学研究吸引了许多学者的关注,人们已经利用大量的模型和实验来探究人群行为以及疏散动力学规律。事实上,人员运动行为与其心理行为紧密相关,行人的决策往往会受到其周围环境的影响,而这些方面在目前的研究中并没有得到很好地分析,尤其在基于元胞自动机的运动模型中。
  本文首先通过建模方式研究了行人心理行为对其运动的影响。由于在一些紧急情况下,人员的行为决策会受到情绪的影响,人群情绪感染可能引起统一的适应性或非适应性行为,因此,本文试图把传染病动力学SIR(易感染者—感染者—恢复者)仓室模型改进成元胞自动机模型用于模拟人群中的情绪感染过程(易感染者—感染者—恢复者—易感染者),并结合简单行人运动过程。建立的模型命名为“CA-SIRS模型”。模拟结果表明,情绪传播过程会出现多个感染周期,并最终趋于动态稳定;在给定系统中,初始感染者比例对系统最终动态稳定时的感染者比例影响不大;感染频率随着人群平均密度的增加而增大;个体运动会促进情绪传播并增加最终动态稳定时的感染者比例;降低感染周期以及再次被感染的概率会显著减少感染者人数。根据这些发现,本文进一步将人群情绪感染过程与多格子模型结合用于研究相向行人流动力学,并与恐慌引起的人群踩踏事故案例进行对比分析。从有无涉及情绪传播过程时的人群平均速度随时间的变化情况中,我们可以发现,虽然情绪感染会增加人员的期望速度,但是容易引起系统拥堵状态,这是因为双向行人之间的冲突增加。根据速度—密度关系,本文利用人群密度和双向行人分别所占的比例讨论了系统的三种人员运动状态,即分层相、过渡相和堵塞相,这为安全组织群体活动提供了实际参考。为了深入了解关于拥挤踩踏引起的人群灾难事故,例如2010年柬埔寨踩踏事故,我们分析了系统中的人员受力分布以及最大承受力的累积分布,这些结果为人们从受力角度估计人员伤亡数量提供了一定的指导。
  接着,本文采用实验与建模的方法研究了建筑中人员周围环境(如疏散指示、周围的其他人员或者障碍物)对其疏散过程的影响。实验在建筑物内开展,涉及两个场景下的个体和群体运动情况,总共有119人参与了4种运动条件下的9组实验。实验过程采用固定摄像机和小型头戴式运动摄像仪记录。根据每组实验后的问卷调查以及视频分析,我们讨论了人员出口选择情况、寻路行为、疏散指示的影响以及决策时间。结果表明,大部分人虽然对建筑布局不熟悉,但是仍然选择最近出口;人员运动过程中,跟随现象严重;在场景1中,个体情况下的平均疏散指示察觉概率和平均人员接受疏散指示概率均大于群体条件下的;不同条件下,很少人注意处于低处的疏散指示。另外,本文也对比了在不同决策点处对建筑布局熟悉者和不熟悉者之间的平均决策时间差异。根据实验发现,本文提出了基于模糊理论的元胞自动机疏散模型,建立了能够描述人们从周围环境获取的不确定、主观信息的模糊推理系统。模糊推理系统类似人员推理过程,其输入变量是人员的感知信息以及不同的个体特征,输出变量为人员选择某个运动方向的可能性大小。模型模拟了两个场景下(即内部有无障碍物单出口房间)的人员疏散过程,再现了真实疏散场景中的一些典型现象,例如出口处人群弓形分布、拥堵、“快即是慢效应”等,与其他模型和实验得出的结果一致。该模型丰富和改善了传统基于元胞自动机的疏散模型的运动规则。
  基于模糊推理技术,本文进一步研究了信息传递作用下的人群疏散动力学。我们设计了用于描述人员属性以及信息接收量的隶属度函数和推理规则库,建立了模糊推理系统以确定人员的行为决策,即运动速度大小和方向。模拟场景为四方向行人流,模拟结果显示信息传递作用并非在所有情况下都能使人员疏散顺利完成,而是与系统中的行人决策有关,尤其在高密度条件下。低密度下增加行人的自驱动作用大小,或者高密度下增加选择第三种运动方式(即期望运动方向朝距离危险源最远的格点)的行人比例有利于人员疏散。与前人研究相比,本文的工作更深入认识了人群中危险信息传递对人员疏散动力学的影响。
  最后,我们对本文内容进行了总结,并介绍了本文的创新点以及工作展望。
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